不同月池形狀對鉆井船附加阻力的影響

姚震球，孫 碩，凌宏杰，周偉楠

(江蘇科技大學(xué) a.海洋裝備研究院; b.船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

鉆井船憑借較大的可變載荷和良好的機(jī)動性，已成為深海油氣資源開發(fā)的一大利器。月池是鉆井船中部垂直貫穿船體、連接甲板與海底的空腔結(jié)構(gòu)，通過月池可將船上鉆井設(shè)備和立管等下放至海中進(jìn)行鉆井作業(yè)。月池可有效減小外部波浪對鉆井設(shè)備的影響，保證安全作業(yè)[1-2]。由于鉆井船需經(jīng)常轉(zhuǎn)移至不同海域進(jìn)行新油田的鉆探和開采，月池的存在導(dǎo)致鉆井船在航行中存在附加的月池阻力，影響航行性能。因此，有必要開展月池形狀對鉆井船附加阻力影響的研究[3]，優(yōu)化其性能。

利用 CFD 數(shù)值水池開展鉆井船附加阻力性能研究是較為方便的技術(shù)。孫采微[4]建立基于N-S方程和流體體積(Volume of Fluid，VOF)法的數(shù)值波浪水池，分析帶有方形月池的鉆井船月池內(nèi)流體振蕩機(jī)理。劉學(xué)勤等[5]研究深水鉆井船阻力性能及月池改進(jìn)措施，對兩艘不同的鉆井船進(jìn)行阻力性能分析，分別對有月池方案和無月池方案的鉆井船進(jìn)行繞流場和阻力計(jì)算，并將數(shù)值計(jì)算得到的阻力與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。金瑞健等[6]通過模型試驗(yàn)研究工作月池在關(guān)閉與開啟狀態(tài)下對船舶阻力的影響，還研究工作月池不同底部倒圓半徑和側(cè)壁格柵開孔率對月池阻力的影響。張曉宇等[7]和王碩等[8]分別對鉆井船月池附加阻力進(jìn)行一定的研究。

應(yīng)用FINE/Marine軟件，開展鉆井船無月池、階梯形月池和優(yōu)化后階梯形月池方案對附加阻力性能的影響研究。對航行中月池內(nèi)非定常流動進(jìn)行模擬，分析附加阻力成因與影響因素，并通過不同形狀月池附加阻力計(jì)算及對比分析，驗(yàn)證和預(yù)報(bào)月池優(yōu)化結(jié)果。

1 數(shù)值模擬方法

以超深水鉆井船為研究對象，構(gòu)建其分析模型。該鉆井船中部設(shè)置階梯形矩形月池，其主尺度如表1所示。

表1 鉆井船月池主尺度

1.1 計(jì)算模型與月池方案

為便于數(shù)值模擬，對超深水鉆井船實(shí)船按照1∶36進(jìn)行縮尺。采用三維建模軟件SolidWorks 建立三維數(shù)值計(jì)算模型。鉆井船三維模型如圖1所示。

圖1 鉆井船三維模型

為研究不同形狀月池對鉆井船附加阻力的影響，考慮3種月池方案：

(1) 方案1：月池完全遮蔽，即無月池方案；

(2) 方案2：階梯形月池方案(見圖2)；

圖2 階梯形月池方案

(3) 方案3：后部帶傾角階梯形月池方案(優(yōu)化方案為月池后壁下部向后傾斜，底角斜切，見圖3)。

圖3 后部帶傾角階梯形月池

1.2 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬采用VOF 法。流場為黏性不可壓流場，使用連續(xù)性方程和 RANS 方程，計(jì)算時采用湍流模型k-ω剪切壓力傳輸(Shear Stress Transport, SST)模型、 SIMPLE算法[4]進(jìn)行求解。

(1)

(2)

1.3 計(jì)算域及網(wǎng)格

將三維模型導(dǎo)入全六面體非結(jié)構(gòu) HEXPRESS 網(wǎng)格生成器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算域選擇船模距入口2倍船長2L、距出口3L、距上下邊界分別0.5L和1.5L、左右邊界各1.5L。計(jì)算域長為32.50 m，寬為19.50 m，高為16.25 m，計(jì)算域及網(wǎng)格如圖4所示。船模長6.61 m、寬1.21 m、高0.62 m。對船體以及自由液面處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，船體及月池邊界層加密，外流域網(wǎng)格相對稀疏。邊界層網(wǎng)格如圖5所示。計(jì)算區(qū)域內(nèi)船體采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，上邊界、下邊界采用指定壓強(qiáng)(液體靜壓)邊界條件，入口、出口以及左右兩側(cè)邊界條件設(shè)置為遠(yuǎn)場。

圖4 計(jì)算域及網(wǎng)格

圖5 鉆井船附近邊界層網(wǎng)格

1.4 網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證

分別對3個方案的3種不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證。網(wǎng)格加密原則為：對阻力具有影響的船體水下部分濕表面網(wǎng)格進(jìn)行逐步加密；對月池附加阻力具有較大影響的水線面以及月池池壁使用box工具進(jìn)行局部加密；對與本研究相關(guān)度不大的船體部分進(jìn)行低密度加密。整體網(wǎng)格保持負(fù)網(wǎng)格、凹陷網(wǎng)格、扭曲網(wǎng)格數(shù)量為0，網(wǎng)格具有良好的正交性以及縱橫比。圖6為不同網(wǎng)格數(shù)量的船體表面網(wǎng)格對比。

圖6 不同網(wǎng)格數(shù)量的船體表面網(wǎng)格對比

以方案3為例，采取包含147萬個、247萬個、351萬個網(wǎng)格的粗、中、細(xì)等3套網(wǎng)格模型進(jìn)行網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證。實(shí)船航速為15 kn，縮尺后模型航速為1.286 m/s，阻力對比結(jié)果如圖7所示。與粗網(wǎng)格方案相比，中、細(xì)網(wǎng)格方案計(jì)算時歷曲線波形接近，平均值相差較小，網(wǎng)格的收斂性較好。為節(jié)省計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真計(jì)算時間，采用247萬個中密度網(wǎng)格開展數(shù)值計(jì)算。同理，對方案1和方案2分別進(jìn)行網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證，結(jié)果一致，故亦采用相同中密度網(wǎng)格方案開展數(shù)值計(jì)算。

圖7 方案3粗、中、細(xì)不同網(wǎng)格下的收斂性驗(yàn)證結(jié)果

2 航行中鉆井船月池內(nèi)流場仿真

2.1 鉆井船階梯形月池內(nèi)流場

為探究月池附加阻力特性，尋找減小月池附加阻力的優(yōu)化方法，對航速為15 kn、帶階梯形月池的鉆井船(方案2)開展航行狀態(tài)下的月池內(nèi)流場仿真分析，獲得鉆井船興波圖[9]和月池內(nèi)速度矢量圖。 圖8為方案2鉆井船船行波波面升高分布云圖。圖9為方案2放大的月池內(nèi)自由液面升高云圖。圖10為方案2鉆井船中縱剖面兩相流分布圖。圖11為方案2放大的月池內(nèi)流體速度矢量圖。

圖8 方案2鉆井船船行波波面升高分布云圖

圖9 方案2放大的月池內(nèi)自由液面升高云圖

圖10 方案2鉆井船中縱剖面兩相流分布圖

圖11 方案 2放大的月池內(nèi)流體速度矢量圖

觀察圖8～圖11可得鉆井船的行進(jìn)波系及月池內(nèi)液面流體速度變化狀況。

從總體上看，帶月池鉆井船首尾行進(jìn)波系與常規(guī)船舶相仿，因此其對附加阻力的形成影響不大。由于存在月池，船底水流在流經(jīng)月池下方時會帶動底部水體一起向后流動，月池開口前端壁下部壓強(qiáng)減小，上部水體向下補(bǔ)充，自由液面降低；由于月池后端壁的存在形成阻塞效應(yīng)，水流以較高流速沖擊豎直的月池后端壁，迫使水體向上運(yùn)動，導(dǎo)致月池內(nèi)靠近后壁處自由液面升高，月池內(nèi)上部水體向前補(bǔ)充時形成漩渦；由于月池前部有臺階，在臺階處水體流動更加復(fù)雜，部分水體在向前補(bǔ)充時，在臺階前壁反射后向下向后運(yùn)動，然后與漩渦疊加使漩渦強(qiáng)度增加。上述狀況反復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致其阻力曲線呈現(xiàn)簡諧波形狀(見圖7)。

由上述分析可知，月池附加阻力主要源于月池開口中水體的阻塞效應(yīng)和漩渦運(yùn)動所產(chǎn)生的阻力。

2.2 形狀優(yōu)化后月池內(nèi)流場

在鉆井船航行過程中，月池內(nèi)水體阻塞效應(yīng)以及漩渦運(yùn)動消耗了大量能量，船底水流與階梯形月池后端壁呈90°沖擊，附加阻力較大。為此在基本不改變其功能、大小和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的情況下進(jìn)行月池形狀優(yōu)化。將月池后壁下部順?biāo)w流動方向向后傾斜并在其底角斜切，形成優(yōu)化后的方案3(見圖3)。該方案可減小水流與月池后端壁的沖擊角度，開辟水體向后流動的通道，同時壓制其波面爬升高度，以減小其附加阻力。

對該方案在與方案2同樣的條件下進(jìn)行CFD仿真模擬。圖12為方案3鉆井船船行波波面升高分布云圖。圖13為方案3放大的月池內(nèi)自由液面升高云圖。圖14為方案3鉆井船中縱剖面兩相流分布圖。圖15為方案3放大的月池內(nèi)流體速度矢量圖。

圖12 方案3鉆井船船行波波面升高分布云圖

圖13 方案3放大的月池內(nèi)自由液面升高云圖

圖14 方案3鉆井船中縱剖面兩相流分布圖

圖15 方案3放大的月池內(nèi)流體速度矢量圖

方案3的月池后端壁向后傾斜、底角斜切使底部部分水流可直接越過月池底部，減小沿月池后端壁上升的水流流量，降低水流對月池后端壁的沖擊，阻塞情況獲得明顯改善。對比圖15與圖11可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后漩渦強(qiáng)度降低，減小月池前后端壁壓力差，同時減少向前運(yùn)動的水流在臺階前壁的反射，進(jìn)一步降低漩渦的強(qiáng)度以及月池內(nèi)部漩渦運(yùn)動的能量，因此附加阻力得以降低。

2.3 月池內(nèi)波高對比

在鉆井船月池內(nèi)部自由液面A點(diǎn)(靠近月池后壁面)和B點(diǎn)(月池臺階下)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)(見圖16)，獲得了方案2和方案3鉆井船月池內(nèi)自由液面處波高時歷曲線，如圖17所示。A點(diǎn)反映后壁面處波高，B點(diǎn)則反映月池波面受階梯的影響。

圖16 鉆井船月池內(nèi)自由液面處波高監(jiān)測點(diǎn)

圖17 鉆井船月池內(nèi)自由液面處波高時歷曲線

A點(diǎn)液面波高呈現(xiàn)簡諧波形，對比方案2與方案3可知優(yōu)化后的方案3月池波幅整體減小；B點(diǎn)由于受階梯的影響而產(chǎn)生漩渦運(yùn)動，方案3月池自由液面波動幅度同樣明顯減小，表明流體運(yùn)動劇烈程度降低，同航速下月池附加阻力減小。

3 不同形狀月池附加阻力

根據(jù)對不同形狀月池內(nèi)流場的仿真，可得出結(jié)論：在鉆井船航行時底部水流流入月池，為月池內(nèi)部漩渦運(yùn)動提供能量；由于月池內(nèi)的阻塞效應(yīng)，隨著月池內(nèi)水體的垂蕩，月池底部水流的分離及內(nèi)外水體質(zhì)量交換產(chǎn)生了月池內(nèi)的周期性漩渦運(yùn)動，產(chǎn)生了附加阻力[5]。月池附加阻力包括其自身阻力以及因漩渦運(yùn)動而產(chǎn)生的阻力。為分析月池形狀對附加阻力數(shù)值的影響，分別計(jì)算不帶月池與帶不同形狀月池方案下的鉆井船阻力，并進(jìn)行對比。

3.1 月池附加阻力計(jì)算

分別計(jì)算3種月池方案的鉆井船阻力，航速范圍為11～15 kn，間隔為1 kn。以方案1的阻力為基本值，將方案2和方案3所得阻力與方案1所得阻力相減，即得到不同形狀月池的附加阻力，如表2所示。

表2 不同航速3種月池方案的鉆井船阻力與月池附加阻力計(jì)算結(jié)果

3.2 月池附加阻力比較

將CFD計(jì)算得到的阻力繪成阻力曲線和月池附加阻力增加百分比曲線，如圖18所示。

比較方案 2、方案3與 方案 1阻力曲線發(fā)現(xiàn)：鉆井船阻力與是否存在月池有關(guān)，不同形狀月池的存在導(dǎo)致鉆井船阻力增加，形成了月池的附加阻力；隨著航速增加，帶有不同形狀月池的鉆井船的總阻力增加趨勢是一致的；在相同航速下帶月池的鉆井船阻力比無月池鉆井船總阻力增加約9%～20%。

比較方案 2與方案 3月池附加阻力增加百分比曲線可以發(fā)現(xiàn)，不同形狀的月池附加阻力是不同的。月池形狀優(yōu)化后(方案 3)，相同航速時月池附加阻力明顯減小(本船型平均減小近35%)，說明優(yōu)化月池形狀可有效改善鉆井船的阻力性能。對比優(yōu)化前后兩種形狀的月池：優(yōu)化后帶傾角階梯形月池附加阻力基本穩(wěn)定，為總阻力的9%～11%；常規(guī)階梯形月池附加阻力為總阻力的13.5%～20.0%，存在一定的波動現(xiàn)象。

圖18 3種方案月池船體阻力對比

4 結(jié) 論

通過對不同形狀月池內(nèi)非定常流動特性的研究和鉆井船附加阻力的對比分析可知，航行中的鉆井船月池內(nèi)的阻塞效應(yīng)和流體漩渦運(yùn)動會產(chǎn)生月池附加阻力，影響航行性能。不同形狀月池導(dǎo)致鉆井船航行附加月池阻力不同。優(yōu)化月池形狀和結(jié)構(gòu)可有效降低月池內(nèi)的波高和漩渦強(qiáng)度，改善航行性能。

(1) 通過對有、無月池鉆井船的阻力性能和月池內(nèi)流場特性的對比分析可知，月池內(nèi)阻塞效應(yīng)和流體運(yùn)動所產(chǎn)生的波浪、漩渦消耗了較多的能量，形成了鉆井船月池附加阻力。

(2) 減少流體對月池后端壁的沖擊，導(dǎo)引流體流出月池，可減少阻塞效應(yīng)、降低旋渦強(qiáng)度，是優(yōu)化月池形狀和結(jié)構(gòu)的基本思路，可有效減小月池附加阻力。

(3) 通過優(yōu)化月池形狀和結(jié)構(gòu)(以方案 3為例)，將月池后端壁下部設(shè)計(jì)為向后的斜坡，并在后壁下端處進(jìn)行斜切處理后，月池附加阻力平均減小近35%，可有效改善鉆井船的阻力性能。